陽興

（株洲中車時代電氣股份有限公司裝備事業(yè)部，湖南 株洲412001）

近年來，為緩解出行交通壓力，大力發(fā)展城市軌道交通。直流牽引供電系統(tǒng)越來越被廣泛的應(yīng)用，直流開關(guān)柜作為直流供電系統(tǒng)中最核心的直流開關(guān)設(shè)備，對其配套保護裝置的技術(shù)研究，對實現(xiàn)直流開關(guān)柜的安全運行、故障維護等有著極其重要的作用。直流開關(guān)柜的保護裝置主要分為機械和電氣兩大類，其中機械聯(lián)鎖保護作為直流開關(guān)柜成套設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)積極研發(fā)掌握其保護設(shè)計原理并且推廣應(yīng)用，實現(xiàn)直流供電設(shè)備國產(chǎn)化。本文以國內(nèi)常用的直流快速斷路器為例，結(jié)合實際運用經(jīng)驗，對直流開關(guān)柜中機械聯(lián)鎖保護進行結(jié)構(gòu)設(shè)計思路分析，提出一套可行性高的保護裝置。

1 直流供電設(shè)備特點及現(xiàn)狀

1.1 直流供電設(shè)備

國內(nèi)城市軌道交通（簡稱城軌）車輛牽引全部采用直流供電模式，通常采用直流1500V和750V電壓等級供電，直流開關(guān)柜包括進線柜（又稱正極柜）、饋線柜、負(fù)極柜、端子柜（又稱聯(lián)跳柜）等系列組成直流供電設(shè)備。其中直流開關(guān)柜機械保護裝置主要在帶直流快速斷路器的設(shè)備中，其示意圖如圖1所示，分為控制室、手車室、母線室3個區(qū)域，其中控制室中包含有電氣控制元件，母線室中有主母線，手車室中為直流快速斷路器、斷路器手車，其中手車室與其他區(qū)域均有絕緣板隔離，確保安全。

1.2 國產(chǎn)化現(xiàn)狀

我國處于軌道交通的快速發(fā)展時期，國產(chǎn)化方面，主要有上海拓及軌道交通設(shè)備有限公司，中船重工第712研究所和株洲中車時代電氣股份有限公司，均能實現(xiàn)直流開關(guān)柜的自主設(shè)計，國產(chǎn)化程度高，并且實現(xiàn)正線運營的成熟方案。國外成套設(shè)備價格昂貴，后期維護成本高。為了保證中國軌道交通設(shè)備的可持續(xù)發(fā)展，打破國外壟斷，提升國內(nèi)裝備制造水平，對直流開關(guān)柜中的核心裝置進行研究，在已有的國產(chǎn)化成果的基礎(chǔ)上，推廣自主設(shè)計的相關(guān)經(jīng)驗，對推進軌道交通直流供電設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。

圖1 手車柜整柜示意圖

2 機械保護裝置原理

直流開關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為有效的保護供電及操作人員安全，機械保護原則對于不同的地鐵牽引供電系統(tǒng)，保護裝置的結(jié)構(gòu)形式可能不相同，但是保護的作用是相同的。其核心保護原則是具備廣義上“五防”的保護功能，設(shè)備才能安全投入運行。高壓開關(guān)柜中要求的“五防”中，明確要求隔離開關(guān)、斷路器（負(fù)荷開關(guān)、接觸器）與接地開關(guān)及柜門四者之間的聯(lián)鎖關(guān)系。對于直流開關(guān)設(shè)備，所需要的保護原理基本相同，但由于直流快速斷路器在分合閘時會噴弧，且需要滅弧裝置才能工作，且各個廠家所采用的直流快速斷路器均不一樣，實現(xiàn)的方式也各不相同，但對其機械保護裝置要求均相同，因此各個直流開關(guān)設(shè)備廠家均有自主設(shè)計的聯(lián)鎖機構(gòu)。通過機械聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，可操作性好，安全性高。

直流開關(guān)柜中的直流快速斷路器，均設(shè)計有特定的固定裝置，統(tǒng)稱為斷路器手車。通常直流快速斷路器，通過上部插頭、下部插頭與主母線進行連接，下部布置有電氣控制元件，且能單獨移開到柜外進行操作和維護。手車式開關(guān)柜中的保護裝置原理可具體描述為：（1）防止帶負(fù)荷拉、合手車，即直流斷路器合閘時，不能推拉手車。（2）當(dāng)斷路器手車在工作位置時；低壓插頭不能拔出，在低壓插頭未撥出前，斷路器手車不能從開關(guān)柜中拉出。（3）只有當(dāng)斷路器手車處于試驗位置時，才能推拉斷路器手車和抽出插入柜體。（4）防止誤分直流快速斷路器。（5）防止誤入帶電隔室。

3 保護裝置的設(shè)計需要考慮的幾個問題

（1）機械保護裝置要充分考慮各種保護機構(gòu)之間的相互配合關(guān)系，在機械保護過程中，通過一系列的機械保護機構(gòu)，實現(xiàn)保護的功能，尤其是柜門與直流斷路器及手車三者相互配合的機械聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，以保證在直流供電過程中發(fā)生故障時，能可靠安全的進行直流快速斷路器的分合閘，切除故障。（2）保護裝置在設(shè)計時需要考慮直流快速斷路器是否配置強制脫扣器及其具體位置，針對性的進行機械急停保護裝置的方案設(shè)計。（3）機械保護裝置需要充分考慮各種特殊故障的保護，如手車室的柜門必須參與聯(lián)鎖，因為它是一個帶電間隔，在帶電的情況下是不允許打開柜門，防止發(fā)生短路事故對電弧不至于噴出柜外傷人。另需要有斷路器手車自鎖保護裝置，以防止直流快速斷路器手車長時間工作過程中，由于振動或者其它原因?qū)е率周嚢l(fā)生移動，拉弧或供電中斷等故障。

4 直流開關(guān)柜的機械保護裝置

本文結(jié)合國內(nèi)各直流開關(guān)柜成套設(shè)備廠家的直流快速斷路器手車，對不同廠家保護功能的聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，對實現(xiàn)方式進行功能闡述，并提供一定的設(shè)計思路。

4.1 柜門-手車互鎖保護裝置

為了確保在供電過程中，防止人為誤操作打開柜門，防止操作人員進入帶電區(qū)域，又能防止在工作過程中斷路器噴弧損害操作人員，需要對柜門與斷路器手車進行聯(lián)鎖保護設(shè)計，即當(dāng)斷路器在工作狀態(tài)時，柜門無法打開，只有當(dāng)直流斷路器手車搖到試驗位置時，才能打開柜門。其設(shè)計思路：在柜門和手車上同時設(shè)置能相互鎖住的機械結(jié)構(gòu)，在工作狀態(tài)時處于鎖住狀態(tài)，在試驗位時能自行解鎖。

4.2 手車自鎖及操作允許保護裝置

斷路器手車在設(shè)計時通常以絲杠傳動方式，能滿足直流快速斷路器在柜內(nèi)往返工作位和試驗位，且在絲杠前端有四角或六角螺母頭，通過專用操作手柄進行操作。本聯(lián)鎖裝置分為兩部分聯(lián)鎖保護裝置，其保護作用是：當(dāng)柜門打開時，不能操作斷路器手車，必須關(guān)門才能操作手車；斷路器手車絲杠傳動裝置能夠在不操作情況下處于自鎖狀態(tài)。其設(shè)計思路：可以利用絲杠前端的四角或六角螺母進行聯(lián)鎖設(shè)計，可設(shè)置能與之相咬合的正多邊形自鎖塊，在操作時能解鎖，操作結(jié)束后，能自行回復(fù)自鎖狀態(tài)；另設(shè)計與柜門聯(lián)鎖的機構(gòu)，在開門狀態(tài)時不能將自鎖塊進行解鎖，只有在柜門關(guān)閉時能解鎖自鎖塊，才能操作手車。

4.3 機械分閘保護裝置

通常直流快速斷路器的本體結(jié)構(gòu)中，底部有機械脫扣機構(gòu)，底部為半球形的凸桿連桿結(jié)構(gòu)，往上頂開凸桿就能使直流快速斷路器跳閘并閉鎖，起到緊急分閘作用。其設(shè)計思路為在柜門上裝有急停按鈕，手車底部設(shè)置分閘桿，分閘桿前段設(shè)置有分閘塊，且分閘塊剛好在斷路器凸桿下方。通過操作急停按鈕，推動分閘桿及分閘塊，對直流快速斷路器進行分閘，且在分閘桿中設(shè)置復(fù)位彈簧，操作完可以進行復(fù)位。

4.4 活門保護裝置

直流開關(guān)柜的保護結(jié)構(gòu)設(shè)計中，活門保護裝置為關(guān)鍵的保護裝置，使直流快速斷路器在離開工作位置時與母線室的主母線中的絕緣隔離，確保直流快速斷路器手車不帶電荷，確保安全。其設(shè)計思路：聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)需要與直流快速斷路器手車相互配合，在手車上設(shè)置推動裝置，活門機構(gòu)為絕緣隔板和連桿裝置組成，絕緣隔板上開有連接窗口，通過連桿裝置實現(xiàn)直流快速斷路器與主母線的連接窗口打開和關(guān)閉。

5 機械保護裝置的可靠性

直流開關(guān)柜機械保護裝置作為直流開關(guān)柜中一系列特殊機械機構(gòu)，與開關(guān)柜、斷路器手車存在著一定的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，它們之間的配合程度決定著直流開關(guān)柜電器的性能和安全，在實際制造過程中，加工的精度和現(xiàn)場的使用環(huán)境均能導(dǎo)致其配合情況發(fā)生變化，導(dǎo)致機械式結(jié)構(gòu)配合不到位發(fā)生卡滯或脫落等情況，使保護失效從而造成故障，因此需要對機械聯(lián)鎖機構(gòu)的可靠性予以高度的重視。加強各個聯(lián)鎖機構(gòu)零件的強度及制造精度，以確保其在配合過程中不偏差，不變形。加強柜門和手車上聯(lián)鎖機構(gòu)的配合，對需要聯(lián)鎖的機構(gòu)加強檢驗及驗證，確保在長時間使用過程中不卡滯，不脫落。在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，確保結(jié)構(gòu)的合理性以及操作的連貫性，可充分考慮安全性和人性化操作。

6 結(jié)語

設(shè)計和制造直流開關(guān)柜機械聯(lián)鎖保護裝置，尤其是多重聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要充分考慮直流快速斷路器的運行要求，在聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，通過精確的計算和仿真，模擬其聯(lián)鎖動作，在調(diào)試過程中進一步得到驗證和優(yōu)化，使產(chǎn)品的性能和質(zhì)量進一步得到提升，確保聯(lián)鎖機構(gòu)靈活可靠，最大限度的確保直流開關(guān)柜在實際使用過程中具備高安全可靠性。

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